Particule de Skyrmion modélisée dans la lumière. Crédit : Université de Birmingham
Les scientifiques du Université de Birmingham ont réussi à créer un modèle expérimental d’un type insaisissable de particule fondamentale appelée skyrmion dans un faisceau de lumière.
Cette percée fournit aux physiciens un véritable système démontrant le comportement des skyrmions, proposé pour la première fois il y a 60 ans par un physicien mathématicien de l’Université de Birmingham, le professeur Tony Skyrme.
L’idée de Skyrme a utilisé la structure des sphères dans l’espace à 4 dimensions pour garantir la nature indivisible d’une particule de skyrmion en 3 dimensions. Des skyrmions semblables à des particules 3D sont théorisés pour nous renseigner sur les premières origines de l’Univers, ou sur la physique des matériaux exotiques ou des atomes froids. Cependant, bien qu’ils soient étudiés depuis plus de 50 ans, les skyrmions 3D ont été très rarement observés dans les expériences. Les recherches les plus récentes sur les skyrmions se concentrent sur les analogues 2D, ce qui est prometteur pour les nouvelles technologies.
Dans une nouvelle étude publiée dans Communication Nature, la collaboration internationale entre des chercheurs de l’Université de Birmingham, Lancaster, Münster (Allemagne) et RIKEN (Japon) a démontré pour la première fois comment les skyrmions peuvent être mesurés en trois dimensions.
Le professeur Mark Dennis, qui a dirigé la recherche, a déclaré : « Les skyrmions ont intrigué et mis au défi les physiciens pendant de nombreuses décennies. Bien que nous ayons progressé dans l’étude des skyrmions en 2D, nous vivons dans un monde en 3D. Nous avons besoin d’un système capable de modéliser un skyrmion dans tous ses états possibles d’une manière qui puisse être mesurée. Nous avons réalisé qu’un faisceau de lumière pouvait être exploité à cette fin car nous sommes capables de contrôler de près ses propriétés, et ainsi l’utiliser comme plate-forme pour modéliser nos skyrmions. Avec cette approche, nous pouvons commencer à vraiment comprendre ces objets et réaliser leur potentiel scientifique. »
Pour créer leur modèle, le Dr Danica Sugic et le professeur Dennis, de l’École de physique et d’astronomie de l’Université, ont défini la description standard de la lumière, la polarisation (la direction dans laquelle les ondes lumineuses se déplacent) et la phase (la position de la lumière vibration des vagues) en termes de sphère dans un espace à 4 dimensions, crucial pour la vision originale de Skyrme. Cela a ensuite permis au champ Skyrmion d’être conçu et transformé en un faisceau de lumière laser dans une expérience dirigée par le professeur Cornelia Denz, Université de Munster. L’équipe a utilisé des mesures de pointe pour déterminer la structure précise du skyrmion.
“Ces objets sont en fait assez complexes, d’un point de vue géométrique”, a déclaré le Dr Sugic. « Ils ressemblent à un système complexe d’anneaux imbriqués, l’ensemble formant une structure semblable à une particule. Ce qui est particulièrement intéressant, ce sont les propriétés topologiques du skyrmion – ils peuvent être déformés, étirés ou comprimés, mais ne se sépareront pas. Cette robustesse est l’une des propriétés que les scientifiques sont les plus intéressés à exploiter. »
Référence : « Particle-like topologies in light » par Danica Sugic, Ramon Droop, Eileen Otte, Daniel Ehrmanntraut, Franco Nori, Janne Ruostekoski, Cornelia Denz et Mark R. Dennis, 22 novembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-26171-5
